Почему же, почему?..По материалам Интернета? После Афин-2004 очередную Олимпиаду решили провести на Луне (бег, прыжки, метание, плавание и т.д.). Какие лунные рекорды превзойдут аналогичные земные достижения и насколько? В каких видах спорта прогресса не ждать? А как вы отнесётесь к идее провести на Луне чемпионат мира по футболу?Ответ. Понятно, что Олимпиада на Луне – это тема с известной долей шутки. Но во всякой шутке есть доля шутки, остальное – истина. Во всяком случае, в 2004 г. человечество отметило 35-ю годовщину знаменательного события, когда нога человека ступила на поверхность Луны. В 1969 г. команда американских астронавтов в рамках программы «Аполлон» прилунилась, и человечество достигло соседнего небесного тела. Вне всякого сомнения, несмотря на то, что программа «Аполлон» была заторможена по финансовым соображениям (она поглощала колоссальное количество денег), совершенно очевидно, что прогресс неудержим, и рано или поздно (причём скорее рано, нежели поздно) мы с вами будем свидетелями того, каких высот достигнет присутствие человечества на Луне. В том числе, скорее всего, люди займутся там и спортом тоже. Итак, какие принципиальные
отличия возникают в том случае, если мы с Земли
перемещаемся на Луну? Во-первых, как многие
правильно отмечали, на Луне отсутствует
атмосфера; соответственно, чтобы на Луне что-то
делать, необходим скафандр, обеспечивающий
давление в 1 атм, газообмен для нашего дыхания,
терморегуляцию и защиту от солнечного излучения.
Короче говоря, нужен автономный космический
скафандр со всеми системами жизнеобеспечения. Но
в таком скафандре, что называется, не побегаешь.
Второй вариант – это создать ограниченное
пространство на Луне, своего рода купол с
воздухом. Но здесь тоже есть большая проблема,
поскольку в куполе, очевидно, нужно создать
нормальное атмосферное давление, а 1 атм давит на
каждый квадратный метр поверхности с силой 10 000 Н.
Соответственно, если бы мы захотели проводить
Олимпиаду в привычных нам масштабах и закрыть
куполом на Луне, скажем, стадион размером 100 Второй принципиальный момент – на Луне сила тяготения, и соответственно ускорение свободного падения (1,622 м/с2), примерно в 6 раз меньше, чем на Земле. Соответственно из кинематических уравнений движения в поле силы тяжести следует, что любое тело, которое мы бросим, при в 6 раз меньшем g полетит в 6 раз выше (H ) и в 6 раз дальше (s), чем на Земле:
где Нужно также отметить, что уменьшение на Луне веса предметов отнюдь не означает уменьшения их массы. Имеет место равенство инертной и гравитационной масс тел. Тело, перенесённое с Земли на Луну, будет иметь точно такую же массу, но вес его уменьшится в 6 раз. Если мы применяем это тело в качестве спортивного снаряда для метания и прикладываем к нему такую же мускульную силу, то под действием этой силы тело приобретёт такое же ускорение, и в итоге броска – такую же скорость, как и на Земле. Будучи брошенным с такой же скоростью, очевидно, тело улетит в 6 раз дальше. Напомним, что на Луне нет сопротивления воздуха, но все скорости метания достаточно малы, и сопротивлением воздуха на Земле можно пренебречь. Из кинематики также известно,
что наибольшая дальность бросания достигается в
том случае, когда начальная скорость направлена
под углом 45° к горизонту. Соответственно так же
мы будем бросать и на Луне. Правда, надо заметить,
что точный учёт такого фактора, как разность
высоты точки бросания и точки падения предмета,
приводит к поправкам, а не просто к увеличению в 6
раз земных рекордов по метанию. Дело в том, что
любой метательный снаряд (ядро, диск, копьё,
молот) стартует в свой полёт либо от плеч
спортсмена, либо с высоты его вытянутой руки
(копьё), – точка броска находится примерно на
высоте 2 м. А вот падает снаряд на уровень 0 м.
Значит, точка броска и точка падения разнесены по
вертикали на 2 м. Это означает, что если на Земле
мы толкаем ядро на 20 м, то на Луне (с учётом
разности высот) оно улетело бы не на 20 Рассмотрим прыжки в длину
аналогично метанию, поскольку здесь идёт
бросание не предмета, а самого спортсмена (его
центра тяжести). Надо учесть, что начальная
высота центра тяжести спортсмена составляет
примерно 1 м (примерно в середине живота).
Соответственно, если длина прыжка на Земле была 5
м, при тех же физических параметрах и массе
спортсмен на Луне прыгнет в длину не на 5 Следующий спортивный раздел – бег – мы начнём с ходьбы. Опыт американских астронавтов, которые шагали по поверхности Луны, показывает, что ходить им удавалось очень медленно и с большим трудом. Понятно, что они были в тяжёлых и неудобных скафандрах (но в конце концов они же в них тренировались на Земле!). Главный фактор здесь, конечно, – это уменьшение g. Доводилось слышать объяснение, что ходьба, – это такой процесс, когда ноги человека находятся в свободном колебательном режиме, как математический маятник или как маятник часов. Соответственно человек перебирает ногами и поэтому идёт. Это объяснение, конечно же, неверно. Ноги – это сложный костно-мышечный механизм с переменными параметрами, и свободным маятником их считать никак невозможно. На самом деле ходьба представляет собой серию падений нашего тела вперёд на выпрямленной опоре ноги. В этом отношении наша ходьба аналогична падению подрубленного дерева из вертикального положения в горизонтальное, с опорой на комель. Мы при ходьбе не падаем до асфальта (хотя такое тоже бывает), потому что успеваем, как правило, поставить другую ногу впереди себя. Подставляем мы её в согнутом положении, а после этого подставленную ногу мы начинаем выпрямлять, поднимая тем самым свой центр тяжести вверх, и дальше следует следующий этап падения на следующей ноге-опоре. Таким образом, весь процесс ходьбы составляет попеременные процессы: сначала падение вперёд на прямой опорной ноге и подставление сменной ноги, затем подъём центра тяжести вверх на прежний уровень высоты путём разгибания второй опорной ноги. Полезно посмотреть на скорость ходьбы: она определяется ускорением свободного падения. В конечном счёте скорость ходьбы – это произведение длины одного шага на частоту шагания; а частота шаганий – это есть не что иное, как частота подъёмов нашего центра тяжести вверх. В процессе ходьбы центр тяжести нашего тела описывает в пространстве своего рода синусоидальные колебания вверх-вниз: это падение с опорной ноги и затем подъём на другой опоре, и одновременно движение вперёд. Если мы увеличиваем частоту наших шаганий, то тем самым на каждом шаге увеличиваем скорость разгибания опорной ноги, следовательно, скорость подъёма центра тяжести тела. Это означает, что увеличивая скорость ходьбы всё больше и больше, мы достигнем такой скорости подъёма нашего тела, что произойдёт отрыв ноги-опоры от поверхности земли. А тем самым мы с ходьбы перейдём на бег. Ходьба отличается от бега именно тем, что при ходьбе всегда существует контакт одной из опорных ног с поверхностью. При беге существуют периоды подскоков, когда задняя опорная нога уже оторвалась от поверхности, а переднюю ногу мы ещё не поставили. Очень забавно, например, смотреть на спортивную ходьбу на Земле. Спортсмены стараются, естественно, уменьшить время прохождения дистанции, т.е. увеличить свою скорость. Но они обязаны (по правилам) сохранять контакт ноги с землёй. Естественно, они увеличивают частоту шаганий (спортивная ходьба – это ходьба с очень высокой частотой). Но чтобы центр тяжести тела не поднимался слишком быстро и высоко (чтобы опорная нога не отрывалась от земли), они вынуждены минимизировать высоту качаний центра тяжести своего тела за счёт специальной походки, которая и отличает спортивную ходьбу от обычной. Спортивная ходьба очень быстрая и состоит как бы в быстром переваливании корпуса с одной опорной ноги на другую. Теперь посмотрим, что будет происходить на Луне. Когда ускорение свободного падения сильно уменьшилось (в 6 раз), скорость, при которой на Земле у нас случается переход с ходьбы на бег, тоже уменьшится в 6 раз. Это означает, что на существенно меньших скоростях ходьбы у нас опорные ноги начнут отрываться от поверхности, и мы уже будем подскакивать, т.е. «побежим» против воли. Наша ходьба сразу же превратится, по сути дела, в серию прыжков в длину. Вообще бег на Луне скорее всего будет очень похож на технику тройного прыжка, выполняемого на Земле. Дальше возникает ещё одна проблема. Для того чтобы на Луне всё-таки начать бежать, нам нужно разогнаться, ведь на точке старта мы находимся с нулевой скоростью. Чтобы хорошо разогнаться на Земле, спринтеры, бегущие на короткую дистанцию (для них очень важно именно быстрое ускорение, быстрый разгон), специально принимают так называемый «низкий старт»: упираются ногами в колодки и, быстро распрямляя ноги, отталкиваясь от опор, бросают своё тело не столько вверх, сколько почти полностью вперёд. Это позволяет спортсменам быстро увеличить скорость своего тела. На Луне, поскольку вес тела в 6 раз меньше, при разгоне (начальной фазе бега) не удастся обеспечить такого соприкосновения с опорой, достаточной силы отталкивания от опоры. И поэтому разгон на Луне будет существенно медленнее. При сильном отталкивании от поверхности спортсмен просто подлетит вверх и будет парить над поверхностью, не сможет разгоняться. Так что результаты спринтерского бега (на короткие дистанции) на Луне будут существенно хуже, чем на Земле. Другое дело – бег на длинные дистанции. Если мы рассмотрим, например, марафонскую дистанцию (42 км), то там главная проблема не в том, чтобы быстро разогнаться, а чтобы в течение нескольких часов долго и выносливо бежать, не сбавляя темпа. Это бег на выносливость. И в этом случае уменьшение силы тяжести на Луне может способствовать определённому выигрышу просто в экономии сил спортсмена. И тогда, скорее всего, спортсмены будут меньше уставать и соответственно смогут показать лучшее время (естественно, проигрывая земным спортсменам начальные фазы бега). На Земле существуют животные, которые очень хорошо реализовали бег в виде прыжков с двух ног одновременно. Это кенгуру. Они не меняют опорную ногу, а работают двумя ногами одновременно, и соответственно прыгают вперёд. Весь их бег представляет собой серию прыжков. На Луне как раз такая техника обеспечивает наилучший результат по достижению скорости. Недаром у американских астронавтов, которые попрактиковались в перемещении на лунной поверхности, была очень медленная ходьба (именно ходьба), а наилучшая скорость достигалась именно в серии прыжков в технике кенгуру. Соответственно и марафонские дистанции на Луне, по-видимому, спортсмены также должны пропрыгивать. Но нужно специально
подчеркнуть, что уменьшение g, помимо
кажущихся выигрышей, требует, самое главное,
длительных тренировок. Потому что невозможно,
попав в другое поле тяжести (в данном случае –
меньшее), прямо сразу же начать ставить мировые
рекорды. Потребуется очень длительный период
привыкания, вырабатывания новых приёмов,
которые, может быть, мы сейчас даже не способны
придумать. Вся наша опорная система, костный
скелет, мышечная система, все наши нервные
импульсы, которые управляют согласованным
движением наших мышц во время движения, вся наша
техника локомоции, которую мы как представители
соответствующего животного царства имеем, –
полностью отработаны путём длительной эволюции
на Земле, они приспособлены наилучшим образом
именно к данному значению g0 = 9,80665 м/с2,
которое есть на Земле. Переход на Луну потребует
существенно перестроить нашу технику движений. И
в этом отношении, например, переход к бегу по
технике кенгуру – это, может быть, ещё не самое
худшее и не самое На Луне, совершенно очевидно, очень хорошо разовьётся художественная гимнастика. Поскольку большинство упражнений, которые спортсмены выполняют на Земле, там, в условиях в 6 раз меньшего веса и существенно большей высоты и длины прыжков, конечно, можно будет выполнять существенно легче и «заковыристее». И наверняка можно будет придумать массу интересных упражнений, которые на Земле просто невозможны. Точно так же продвинется и достигнет невиданных высот техника упражнений на коне, на брусьях, на кольцах, в акробатике. Вообще, надо сказать, что на Луне, может быть, и не столь интересно будет проводить спортивные состязания, но совершенно очевидно, что лунный цирк будет просто вне конкуренции, поскольку жонглирование, прыжки на батуте, другие цирковые номера будут, конечно, намного более зрелищными. Это наверняка стоит посмотреть. Например, можно предположить, что вольтижировщики смогут выполнять на Луне сальто на лошади. Что касается борьбы (всех единоборств), то на Луне, по-видимому, она вряд ли состоится просто потому, что при уменьшении веса спортсмена в 6 раз практически любой участник соревнований своего соперника сможет, что называется, просто поднять «одной левой». Другое дело – тяжёлая атлетика. Известно, что наибольшие силачи могут в статическом режиме удерживать груз массой 500 кг. Если бы мы просто применили коэффициент 6 и увеличили вес поднимаемых снарядов в 6 раз, то на Луне они с лёгкостью держали бы на плечах трёхтонный грузовик. Но принципиально важно то, что такие вещи возможны в статическом режиме, когда груз неподвижен. А в соревнованиях штангу нужно поднять либо рывком, либо толчком на высоту своего роста. А вот для того чтобы поднять (оторвать) штангу, ей нужно придать ускорение вверх. И вот здесь инертная масса снаряда тяжёлой атлетики сыграет, конечно, злую шутку. Дело в том, что весить-то штанга будет в 6 раз меньше, а для того, чтобы её рывком поднять, нужно прикладывать мощные усилия вверх. И можно посчитать, что для того, чтобы штангу поднять рывком примерно с таким же ускорением, как и ускорение свободного падения, на Луне спортсмены смогут поднять штангу всего в 1,7 раз большей массы, чем на Земле. То есть, если на Земле спортсмен поднимает 200 кг железа, то на Луне он таким же рывком сможет поднять немногим больше – всего-навсего 340 кг. Теперь перейдём к водным видам спорта. Естественно, на Луне нет воды: если на планете нет атмосферы, то нет и жидкой (водной) оболочки. Если мы просто разольём воду на поверхности Луны, то в дневное время она очень быстро испарится под лучами Солнца (температура поверхности до 120 °C), а лунной ночью она замёрзнет (–150 °C) и останется в замёрзшем состоянии до наступления следующего лунного дня. Поэтому открытый бассейн на Луне не построишь и в таком бассейне не поплаваешь. На Луне есть «моря», но это всего лишь застывшая базальтовая лава. Поэтому будем надеяться, что нам удастся тем или иным способом создать на Луне бассейн, куда мы нальём воду (здесь уже чётко потребуется какое-то укрытие – купол или помещение с атмосферным давлением, – искусственное сооружение). Если мы с помощью специальных инженерных решений бассейн построили и налили в него воду, то можем, казалось бы, приступить к занятиям. Но не всё так просто. Первое соображение состоит в том, что сила Архимеда будет действовать в такой же пропорции, и соответственно, если спортсмен погружается в воду, то он погружается в неё на такой же уровень, как и на Земле. Условно говоря, на положение ватерлинии спортсмена изменение g не влияет. Но опять-таки нужно сделать замечание, что это справедливо только для статического режима, а водный спорт статический режим не предполагает. Например, ватерполисты, когда на Земле защищают свои ворота, с помощью очень мощного рывка мышц и резкого движения ног в воде выпрыгивают из воды иногда на высоту 30–50 см. Если они такое же действие совершат в бассейне на Луне, то смогут выпрыгнуть на высоту 2–3 м. И в этом смысле лунные игроки в водное поло будут очень похожи на играющих китов на Земле. Более того, дрессированные дельфины демонстрируют такой трюк, как танец на хвосте. То есть они, энергично работая хвостом в воде, удерживают своё тело почти полностью вертикально над водой. В принципе, ватерполисты на Луне также могут, делая достаточно энергичные двидения ногами в воде, по сути дела, просто бегать по её поверхности (не по поверхности, конечно, а удерживать своё тело над водой, погружаясь в неё не более чем по колено, – за счёт энергичных движений ногами, постоянно отталкивая воду вниз). Это как бы плюс. Но при этом нужно помнить, что те брызги, которые спортсмены поднимут, также полетят в 6 раз выше и в 6 раз дальше. Зрителям (напомним, что бассейн должен быть маленький, – большого купола у нас не получалось) придётся сидеть на трибунах в плащах и с зонтиками. Прыжки в воду всегда ограничиваются таким параметром, как скорость удара о воду, поэтому на Земле самая большая вышка на соревнованиях – 10-метровая. На Луне, за счёт меньшего g, эту высоту можно увеличить до 60 м. Соответственно за время падения около 8 с спортсмен может совершить огромное количество разных пируэтов, оборотов, переворотов в воздухе. Короче говоря, прыжки в воду на Луне могут стать столь же зрелищными, как и лунный цирк. Но сразу же одно замечание, одно «но». Дело в том, что спортсмен, прыгающий в воду, естественно, потом входит в воду вертикально вниз и погружается в неё. То есть он ныряет, и довольно глубоко. На Земле этот нырок занимает 3–4 с. Но поскольку на Луне сила Архимеда станет существенно меньше (в 6 раз), то время, которое потребуется спортсмену для того, чтобы вынырнуть потом из толщи воды на поверхность, может существенно увеличиться, скажем, до 30 с. И надо всё-таки успеть на поверхность выбраться и не захлебнуться. Отметим, что и глубину бассейна под вышкой надо увеличить в те же 6 раз. Теперь посмотрим на пловцов. Предположим, что пловец вначале расположит своё тело горизонтально на поверхности воды. Вода будет иметь ту же плотность, ту же вязкость и то же сопротивление движению тела, и в принципе при затрате такой же мышечной энергии, как и на Земле, спортсмен мог бы развивать в воде такую же скорость. Здесь мы существенного выигрыша сразу не видим. Но есть масса интересных побочных факторов. Во-первых, спортсмены, которые плывут в бассейне, обычно поднимают волны. Для земных условий типичная высота волны в бассейне – примерно 30 см. При уменьшении ускорения свободного падения высота волны вырастет пропорционально. Это значит, что следом за каждым пловцом, который будет плыть в лунном бассейне, будет идти так называемая «спутная» волна, высота которой составит примерно 2 м. И спортсмену придётся потратить больше энергии для того, чтобы такое водное сооружение, идущее за ним следом, поддерживать и продвигаться от него вперёд, а не попасть под волну. Интересно заметить, что уменьшение веса пловца в 6 раз позволяет пловцам, в принципе, перейти на принципиально иную технику движения, аналогично тому, как на Земле переходят от судов полного погружения к глиссерам. То есть спортсмен может, на начальном этапе резко выбросив своё тело из воды вперёд, перейти затем на режим глиссирования на груди. При этом резко уменьшится сопротивление воды и увеличится скорость движения. Пловец, резко погружая в воду только свои конечности и глиссируя на своём теле по поверхности воды, будет очень похож на быстро бегающую по поверх-ности водоёма водомерку или на тропических летучих рыб (они точно так же с помощью плавников отрываются от поверхности воды). Теперь посмотрим на футболистов. Первая проблема, с которой столкнутся организаторы матча, – это проблема ровной площадки. Поскольку поверхность Луны вся изрыта кратерами, причём размеры этих кратеров могут быть совершенно любыми, то, в буквальном смысле слова, на Луне не найдёшь ровного места. Поэтому первое, что придётся делать, – это ровнять площадку. Второе соображение состоит в следующем: мы можем использовать тот же мяч, такого же диаметра, такой же упругости. Но если уж мы играем на открытом «воздухе» (которого нет), то давление, которое мы в этом мяче создадим, естественно, должно быть на 1 атмосферу меньше, чем в земном мяче. В принципе, мяч может также сохранить и свои механические свойства при разных температурах. Если мы наносим по мячу удар ногой такой же силы, как и на Земле, то он приобретает такую же скорость. Но, двигаясь с такой же скоростью, как на Земле, мяч полетит в 6 раз выше и в 6 раз дальше! Это означает, что максимальная дальность полёта мяча может достичь 600 м. Размеры поля, которые мы
должны будем задействовать для лунного футбола,
составят примерно полкилометра на полкилометра
(к вопросу о ровной площадке). Меньше никак не
получится, иначе мяч будет постоянно вылетать за
пределы поля. Естественно, потребуется
пропорционально (в 6 раз) увеличить размеры ворот.
Что наверняка составит большую проблему для
вратарей, если скорость мяча такая же, ведь резко
прыгать на Луне не легко. Но, самое главное, с
точки зрения кинематики игра в футбол
представляет собой быстрые перемены направления
и скорости движения (ускорения). То есть
возможность осуществлять резкие манёвры в
движении. А быстрый бег на поверхности Луны, как
мы выяснили раньше, возможен только «методом
кенгуру» (прыжки двумя ногами). Причём в высоту
можно прыгать до 7 м. Поэтому техника игроков,
естественно, существенно изменится. Они будут
бегать совсем не так, как земные футболисты, а
будут в основном совершать разнообразные прыжки
из стороны в сторону и друг на друга. Кроме этого,
в 6 раз увеличится и время полёта мяча при каждом
пасе. Соответственно, если мы мысленно посмотрим
на всё это лунное футбольное поле (например,
возьмём видеокамеру, которая охватывает поле
целиком), окинем взором всю эту игру (с
соответствующим уменьшением размеров), то
увидим, что над футбольным полем летает мячик,
который относительно уменьшился в 6 раз. По полю
прыгают невысокие кенгуру, которые в www.mccme.ru/olympiads/turlom
|
100 м2, то этот купол
будет подниматься вверх под действием силы
давления накачанной под него атмосферы 
0
– начальная скорость, 
– уголбросания (между направлением броска и
горизонтальной поверхностью).